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광 통신

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1. 개요

광 통신은 빛을 사용하여 정보를 전달하는 기술로, 연기 신호, 봉화, 헬리오그래프, 신호등, 광섬유 통신 등 다양한 형태를 포함한다. 최초의 광 통신 형태는 시각적 신호였으며, 헬리오그래프는 햇빛을 반사하여 모스 부호로 신호를 전송하는 데 사용되었다. 현대에는 광섬유 케이블을 이용한 통신이 널리 사용되며, 자유 공간 광 통신 기술도 발전하고 있다. 1880년 알렉산더 그레이엄 벨은 빛을 이용한 음성 통신 장치인 포토폰을 발명했다.

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광 통신
광 통신
개요
정의빛을 이용하여 정보를 전달하는 통신 방식
활용 분야유선 통신 (광섬유)
무선 통신 (자유 공간 광 통신)
가시광 통신
역사
초기고대 봉화, 19세기 광학 전신
현대20세기 레이저 개발 및 광섬유 기술 발전
원리
변조빛의 세기, 파장, 편광 등을 이용한 신호 변조
전송 매체광섬유, 공기, 진공 등
수신광검출기를 이용한 신호 복원
종류
유선 광 통신광섬유 케이블을 이용한 통신
무선 광 통신자유 공간 광 통신 (FSO)
가시광 통신가시광선을 이용한 통신
장점
대역폭넓은 대역폭으로 대용량 데이터 전송 가능
속도빠른 전송 속도
보안전자기파 간섭에 대한 내성 높음
손실낮은 신호 손실
단점
비용설치 비용이 높을 수 있음
섬유 파손광섬유 손상에 취약할 수 있음
전파 방해대기 조건에 따라 영향을 받을 수 있음
기술 요소
광원레이저 다이오드, LED 등
광섬유유리 또는 플라스틱 섬유
광검출기포토다이오드, 포토트랜지스터 등
변조 및 복조 기술빛 신호 변환 기술
활용
통신장거리 통신, 데이터 센터, 광대역 인터넷
의료내시경, 광학 센서
산업광섬유 센서, 광학 측정
군사보안 통신, 감시 시스템
미래 전망
발전 방향더 빠르고 효율적인 광 통신 기술 개발
연구양자 광 통신, 테라헤르츠 통신 등
참고 문헌
도서김동룡, 광섬유와 광통신, 상학당, 2012.

2. 형태

광 통신의 초기 형태는 연기 신호, 봉화, 유압 전신, 선박 깃발, 수기 신호와 같이 시각적인 방법을 사용했다.[44][45][46][47]

2. 1. 시각적 형태

연기 신호, 봉화, 유압 전신, 선박 깃발, 수기 신호 등이 초기 광 통신 형태로 사용되었다.[44][45][46][47] 유압 전신은 기원전 4세기경 그리스에서 사용되었다. 조난 조명탄은 위기 상황에서 선원들이 사용하며, 등대항해등은 항해 위험을 알리는 데 사용된다.

헬리오그래프는 거울을 사용하여 햇빛을 반사시켜 신호를 보냈고,[5] 해군 함선은 신호등모스 부호를 함께 사용하여 정보를 전달하기도 했다. 항공기 조종사는 VASI 투사 광 시스템을 사용하여 안전하게 착륙하며, 항공모함에 착륙하는 군용기는 광학 착륙 장치를 사용한다. 공항 관제탑은 무전기가 고장난 항공기에 지시를 전달하기 위해 알디스 램프를 사용하기도 한다.

2. 1. 1. 세마포어 통신 (Semaphonre Line)

샤페 전신(18세기) 복제품


세마포어 통신(Semaphore Line)은 광학 전신, 셔터 전신망, 샤페 전신(Chappe telegraph), 나폴레옹 세마포어라고도 불리며, 회전하는 팔이나 셔터(블레이드 또는 패들)가 있는 탑을 사용하여 시각 신호로 정보를 전달하는 시스템이다. 정보는 기계 요소의 위치에 따라 부호화되며 셔터가 고정된 위치에 있을 때 판독된다.[2][6]

세마포어 통신망은 전기 전신의 전신이었다. 장거리 메시지 전달에서는 마부보다 빨랐지만, 전기 전신보다는 비싸고 비밀성이 떨어졌다. 세마포어 전신국 간 최대 거리는 지리, 날씨, 광원 가용성에 따라 제한되므로, 실제로는 대부분 중계소를 두어 먼 거리를 연결했다. 각 중계소에는 메시지를 주고받을 숙련된 운영자-관찰자가 필요했다.

세마포어의 현대적 설계는 영국의 폴리매스인 로버트 훅(Robert Hooke)이 1684년 왕립학회에 제출한 자료에서 시각 전신의 개요를 처음 제시하면서 예견되었다. 그의 제안(전년도 비엔나 전투 이후 군사적 우려로 제기됨)은 생전에 실현되지 않았다.[7][8]

최초의 광학 세마포어 통신망은 1792년 프랑스 기술자 클로드 샤페(Claude Chappe)와 그의 형제들이 만들었으며, 총 556개 기지를 연결하는 프랑스 네트워크를 구축했다. 이는 1850년대까지 군사 및 국가 통신에 사용되었다.

영국, 스웨덴 등 많은 국가에서 샤페 시스템과 다른 신호 시스템을 채택했다. 스페인에서는 아구스틴 데 베탕쿠르(Agustín de Betancourt)가 자체 시스템을 개발하여 채택했다. 이 시스템은 프랑스에서도 샤페의 시스템보다 낫다고 많은 유럽 전문가들이 평가했다.

이러한 시스템은 18세기 후반~19세기 초반까지 인기였지만, 전기 전신과 경쟁할 수 없어 1880년까지 완전히 사용되지 않게 되었다.[1]

2. 1. 2. 신호기 (Semaphore signal flags)

신호기는 손으로 든 깃발, 막대, 원반, 패들 또는 때때로 맨손이나 장갑 낀 손을 사용하여 시각 신호를 통해 원거리에서 정보를 전달하는 시스템이다.[44] 정보는 깃발, 물체 또는 팔의 위치로 부호화되며 고정된 위치에 있을 때 읽힌다.

19세기에 해상에서 신호기가 채택되어 널리 사용되었으며, 셔터 신호기의 기계식 팔을 손으로 든 깃발이 대체하였다. 함정간 해상 보급 중에도 여전히 사용되고 있으며, 주간에는 깃발을 사용하고 야간에는 깃발 대신 조명된 지팡이를 사용하여 비상 통신 수단으로 허용된다.[44]

신호기 시스템은 제곱형 깃발이 달린 두 개의 짧은 막대기를 사용하며, 신호병은 알파벳 문자와 숫자를 전달하기 위해 서로 다른 위치에 막대기를 든다. 송신기는 각 손에 하나의 막대기를 들고 각 팔을 8가지 가능한 방향 중 하나로 뻗는다. 휴식 자세를 제외하고는 깃발이 겹칠 수 없다. 깃발의 색상은 해상에서 전송되는 신호인지 육상에서 전송되는 신호인지에 따라 다르다. 해상에서는 깃발이 빨간색과 노란색(오스카 깃발)으로, 육상에서는 흰색과 파란색(파파 깃발)으로 칠해져 있다. 깃발은 필수는 아니지만 문자를 더 명확하게 만든다.[44]

수기신호기를 이용해 메시지를 전달하는 해군 신호병 (2002년).

2. 1. 3. 신호등 (Signal lamps)

신호등은 빛의 점멸을 통해 정보를 전달하는 시각적 신호 장치이다. 일반적으로 모스 부호를 사용한다. 현대의 신호등은 빛의 펄스를 생성할 수 있는 집광 램프이다. 대형 버전에서는 램프 앞에 장착된 셔터를 수동으로 작동하는 압력 스위치나 자동으로 열고 닫아 빛의 펄스를 만든다. 휴대용 램프의 경우, 오목거울을 트리거로 기울여 빛을 펄스로 집중시킨다. 램프는 일반적으로 일종의 광학 조준 장치를 갖추고 있으며, 대부분 해군 함정에 배치되고, 부호화된 항공등 신호와 함께 공항 관제탑에서도 사용된다.

무선 통신 장애를 겪는 항공기를 유도하는 데 사용할 수 있는 신호등을 들고 있는 관제사(2007년).


항공등 신호는 무선 통신 장애, 무선 장비가 없는 항공기, 또는 청각 장애가 있는 조종사의 경우에 사용된다. 관제사는 신호등을 사용하여 이러한 항공기를 유도해왔다. 신호등의 램프는 빨간색, 흰색, 녹색의 세 가지 다른 색상을 방출할 수 있다. 이러한 색상은 점멸하거나 지속될 수 있으며, 비행 중이거나 지상에 있는 항공기에 대한 다양한 지시(예: "착륙 허가" 또는 "이륙 허가")를 제공한다. 조종사는 비행 중에는 비행기 날개를 흔들거나, 지상에 있는 경우 에일러론을 움직이거나, 야간에는 착륙등 또는 항공등을 점멸하여 지시 사항을 승인할 수 있다. 이 시스템은 모스 부호와 함께 사용되지 않으므로 신호등을 사용하여 항공기에 지시되는 간단한 표준 지시 사항은 12가지뿐이다.[44][45][46][47]

2. 1. 4. 헬리오그래프 (Heliograph)

헬리오그래프는 거울에 반사된 햇빛의 섬광(일반적으로 모스 부호를 사용)으로 신호를 보내는 무선 태양 전신이다. 여기서 '헬리오그래프'는 그리스어 Ἥλιος|헬리오스|태양el와 γραφειν|그라페인|쓰다el에서 유래했다.[5][31] 섬광은 거울을 순간적으로 회전시키거나 셔터로 빛을 차단하여 생성한다.

헬리오그래프는 19세기 후반과 20세기 초에 장거리 순간 광학 통신을 위한 간단하면서도 효과적인 장비였다. 주요 용도는 군사, 측량 및 산림 보호 작업이었다. 1960년대까지 영국군과 오스트레일리아군의 표준 장비였으며, 1975년까지 파키스탄군에서도 사용되었다.

2. 2. 전기적 형태 (Electronic forms)

현대에는 다양한 전자 시스템이 빛의 펄스를 이용하여 정보를 광학적으로 주고받는다. 대용량 전자 데이터나 장거리 전화 통신에는 마이크로파 전송이나 위성 통신보다 광섬유 케이블이 주로 사용된다. 자유 공간 광 통신도 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.[35][36][37][38][39][40]

2. 2. 1. 광섬유 (Optical fiber)

광섬유는 광통신에서 가장 일반적인 채널 유형이다. 광섬유 링크의 송신기는 일반적으로 (LED) 또는 레이저 다이오드이다. 적외선 광이 가시광선보다 더 일반적으로 사용되는데, 광섬유가 적외선 파장을 감쇠 및 분산이 적게 전송하기 때문이다. 신호 부호화는 일반적으로 단순한 강도 변조이지만, 역사적으로 광 위상 및 주파수 변조가 실험실에서 시연되었다. 주기적인 신호 재생의 필요성은 어븀 도핑 광섬유 증폭기의 도입으로 크게 대체되었는데, 이는 비용을 상당히 절감하면서 링크 거리를 연장했다. 1996년 시에나 사(Ciena Corp)가 고밀도 (WDM)을 상용화한 것이 광 네트워킹의 실질적인 시작이었다.[9][10] 현재 WDM은 전 세계 거의 모든 고용량 광 시스템의 일반적인 기반이다.[11]

최초의 광통신 시스템은 Optelecom, Inc.[12]에 의해 미국 육군과 셰브론에 설계 및 제공되었는데, 이 회사는 광 증폭기[13] 및 레이저[14]의 발명가인 고든 고울드가 공동 설립했다.

2. 2. 2. 포토폰 (Photophone)

포토폰(Photophone, 원래는 라디오폰이라는 다른 이름이 주어짐)은 빛의 빔을 이용하여 음성을 전송하는 통신 장치이다. 1880년 2월 19일, 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 서머 테인터가 워싱턴 D.C.에 있는 벨의 1325 'L' 스트릿 연구소에서 공동으로 발명하였다.[15][16] 두 사람은 나중에 벨이 설립하고 자금을 지원한 볼타 연구소 협회의 정회원이 되었다.

1880년 6월 21일, 벨의 조수는 프랭클린 학교 지붕에서 벨의 연구소 창문까지 약 213미터(약 700피트) 떨어진 곳으로 무선 음성 전화 메시지를 상당한 거리에 걸쳐 전송했다.[17][18][19][20]

벨은 포토폰이 자신의 가장 중요한 발명이라고 믿었다. 벨 단독 명의로 허여된 18개의 특허와 그가 공동 연구자들과 공유한 12개의 특허 중 4개는 포토폰에 관한 것이었는데, 벨은 이를 자신의 "가장 위대한 업적"이라고 언급하며 사망 직전 기자에게 포토폰은 "내가 한 가장 위대한 발명, 전화보다 더 위대한 발명"이라고 말했다.[21]

포토폰은 1980년대부터 전 세계적으로 널리 사용되기 시작한 광섬유 통신 시스템의 전신이었다.[22][23][24] 포토폰에 대한 주요 특허( ''신호 및 통신 장치, 포토폰이라고 함'')는 1880년 12월에 발행되었으며,[19] 그 원리가 실용적인 응용을 갖게 된 것은 그로부터 수십 년 후였다.

2. 2. 3. 자유 공간 광 통신 (Free-space optical communication)

자유 공간 광 통신(FSO)은 '마지막 마일' 통신에 사용되며, 광원과 목적지 사이에 명확한 직접 시선이 있고 광 수신기가 전송된 정보를 안정적으로 디코딩할 수 있는 한, 수 킬로미터의 거리에서 작동할 수 있다.[25] 소형, 경량, 저전력 소모 하위 시스템을 사용하여 고속, 장거리 링크를 제공할 수 있어 우주 통신에 적합하다.[26]

보다 일반적으로, 비유도 광 신호의 전송은 광 무선 통신(OWC)으로 알려져 있으며, 중거리 가시광 통신과 적외선 LED를 사용하는 단거리 IrDA가 이에 포함된다.

참조

[1] 서적 Chapter 2: Semaphore Signalling https://books.google[...] R. W. Burns 2004
[2] 서적 Telegraph https://books.google[...] Encyclopædia Britannica 1824
[3] 웹사이트 Nation Park Service Fire History Timeline http://www.nps.gov/f[...]
[4] 웹사이트 Lewis and Clark Journals, July 20, 1805 http://lewisandclark[...]
[5] 웹사이트 Wire At War – Signals communication in the South African War 1899–1902 http://rapidttp.com/[...] 2008-06-01
[6] 서적 Telegraph https://books.google[...] The Edinburgh encyclopaedia 1832
[7] 웹사이트 The Origin of the Railway Semaphore https://web.archive.[...] 2007-05-04
[8] 웹사이트 An Early History of the Telephone: 1664-1865, Part 2 https://web.archive.[...] 2012-11-28
[9] 뉴스 Fiber-Optic Technology Draws Record Stock Value https://www.nytimes.[...] The New York Times 1997-03-03
[10] 서적 Advanced optical communication systems and networks 2013
[11] 서적 Wavelength Division Multiplexing: A Practical Engineering Guide (Wiley Series in Pure and Applied Optics) Wiley; 1st edition 2013
[12] 서적 Laser: The Inventor the Nobel Laureate and the Thirty-Year Patent War Jonas Street Books 2019
[13] 서적 Laser: The Inventor the Nobel Laureate and the Thirty-Year Patent War Jones Street Books 2019
[14] 서적 Laser: The Inventor the Nobel Laureate and the Thirty-Year Patent War Jones Street Books 2019
[15] 문서 Bruce 1990
[16] 뉴스 First 'Radio' Built by San Diego Resident Partner of Inventor of Telephone: Keeps Notebook of Experiences With Bell https://archive.toda[...] San Diego Evening Tribune 1937-07-31
[17] 문서 Bruce 1990
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[21] 문서 Mims 1982
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[42] 논문 Recent Development in High-Data Rate Optical Communications at JPL NASA Technical Reports Server 2000-01-04
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[47] 웹인용 Lewis and Clark Journals, July 20, 1805 http://lewisandclark[...]



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